Fysikere har demonstreret alle komponenterne i et atomur - enheder, der måler tid ved at måle små energiforskydninger inden for en atomkerne. Sådanne ure kan føre til betydelige forbedringer i præcisionsmålinger såvel som ny indsigt i grundlæggende fysik.

Forskerne målte hyppigheden af ​​lyset, der forårsager kernerne i den sjældne isotop Thorium -229 til overgang til en højere energitilstand - "ur" af atomuret - med en nøjagtighed 100.000 gange højere end den tidligere bedste værdi. De opnåede dette ved at synkronisere energimigrationen med uret til verdens mest præcise ur. Arbejdet blev ledet af Jun Ye i Jila, et forskningsinstitut i Boulder, Colorado, og offentliggjort 5. september i naturen. ”Det er virkelig et af de mest spændende papirer i den nylige hukommelse,” siger Marianna Safronova, en nuklear fysiker ved University of Delaware i Newark.

Gennembrudet kom ved at undersøge thorium-229 kerner med en laserindretning kaldet en frekvenskam. Opsætningen er ikke teknisk et ur, da det endnu ikke er blevet brugt til at måle tid. Men sådanne imponerende resultater gør udviklingen af ​​et atomur mulig, siger Safronova.

Målinger af uret viser sig allerede nyttige i partikelfysik, siger Elina Fuchs, en teoretisk fysiker ved Leibniz University Hannover, Tyskland. Og da urets frekvens bestemmes af de grundlæggende kræfter, der holder kernen sammen, kunne prototypen bestemme, om en type mørk stof - et usynligt stof, der udgør omkring 85% af sagen i universet - påvirker disse kræfter i en lille skala. ”Dette er et nyt, direkte vindue ind i atomkraft,” siger Fuchs.

Ultimate timepieces

Verdens bedste ure, kaldet atomur, måler tid ved hjælp af lasere - hyppigheden af ​​lys er nøjagtigt afstemt for at opnå den energi, der er nødvendig for at bevæge elektroner mellem to energiniveauer i et atom. De mest nøjagtige atomur får eller mister kun et sekund hvert 40 milliarder år. Et atomur ville fungere lidt anderledes: uret ville svare til energiovergange af protoner og neutroner snarere end elektroner, når de går ind i en ophidset tilstand.

Dette energiforskydning kræver en lidt højere, ultraviolet frekvens, hvilket resulterer i hurtigere timing, der kan matche eller overskride nøjagtigheden af ​​atomuret. Men den største potentielle fordel ved atomuret ligger i dens kombination af præcision og stabilitet. Partikler i kernen er mindre følsomme end elektroner til forstyrrelser, såsom elektromagnetiske felter - hvilket betyder, at et atomur kan være bærbart og robust. ”Det bliver desensibiliseret på en måde, der er svært at forestille sig med hensyn til, hvordan vores ure fungerer i dag,” siger Anne Curtis, en eksperimentel fysiker ved National Physical Laboratory i Teddington, Storbritannien.

Men at finde den rigtige type atomkerner til at bruge og bestemme den hyppighed, der er nødvendig for at flytte den til en anden energistat, har været en 50-årig slog for fysikere. I 1970'erne antydede indirekte beviser, at Thorium-229 havde en underligt lavenergi-nuklear overgang-en, der til sidst kunne blive udløst af bordplasma. Men det var først sidste år, at forskere opdagede den nødvendige hyppighed - og i år indledte de med succes overgangen med en laser.

Jila-teamet søgte efter overgangsfrekvensen i billioner af thorium-229 atomer indlejret i krystallen ved hjælp af et system kendt som en frekvenskam. Kammen opretter en række laserfrekvenslinjer, der regelmæssigt og jævnt er fordelt. Dette giver forskere mulighed for at belyse krystallen ved mange præcise frekvenser på én gang for at søge efter et hit, snarere end møysommeligt scanning gennem spektret af mulige muligheder med en enkeltfrekvente laser.

Kamets indstillinger - inklusive bredden af ​​hullerne mellem linjerne eller "tænder" - blev kalibreret ved hjælp af atomuret og kunne justeres. Holdet gennemførte adskillige eksperimentelle løb, og da de observerede den karakteristiske glød, der opstår, når thorium-229 atomer forfaldne fra deres ophidsede tilstand, brugte de indstillingerne til at beregne den hyppighed, der styrer signalet.

Iagttagelse af overgangen for første gang "følte sig forbløffende", siger Study-medforfatter Chuankun Zhang, en fysiker hos Jila. ”Vi udførte test hele natten for at kontrollere, om dette virkelig var det signal, vi ledte efter,” siger han.

Grundlæggende kræfter

Det, der er specielt ved frekvenskammen, er, at det giver fysikere mulighed for at måle frekvensuret på et ur - her thorium -229 -kernen - som et forhold til en anden kendt frekvens, i dette tilfælde et atomur. Dette gjorde det ikke kun muligt for teamet at bestemme den absolutte frekvensværdi med høj præcision, men åbnede også nogle interessante muligheder i fysik, siger Zhang.

Hvis hastigheden på et urs ur ændres over tid i forhold til en anden, kan det indikere, at faktorer, der bestemmer energiniveauet - såsom den stærke nukleare eller elektromagnetiske kraft - driver eller svinger, siger Fuchs. Visse 'lette' former for mørkt stof, som har ekstremt lav masse, menes at have denne effekt, siger hun.

Enhver ændring i kræfter ville blive forstærket i hyppigheden af ​​kerne indad migration, så atomur kan potentielt være omkring 100 millioner gange mere følsomme over for virkningerne af denne type mørke stof end atomur. Det seneste resultat - som præciserer hyppigheden til en nøjagtighed på 13 decimaler - er allerede præcis nok til at indsnævre de mulige energiområder, hvor der kunne eksistere let mørkt stof, siger Fuchs. Atomfysik kunne også drage fordel af den mere præcise overgangsfrekvens, hvilket kan hjælpe forskere med at skelne mellem forskellige mulige former for Thorium-229-kernen.

Men der skal gøres mere arbejde, før atomur kan overgå atomur - som i øjeblikket er nøjagtige til 19 decimaler. Forskere vil studere, om det giver mening at holde Thorium -229 indlejret i en krystal - et solidt er praktisk til at lave et bærbart ur - eller om begrænsning af individuelle atomer ville give bedre resultater.

Lasersystemet skal også optimeres. ”Heldigvis har denne fantastiske teknik et stort potentiale,” siger Olga Kocharovskaya, en fysiker ved Texas A&M University i College Station. Det er en "prototype af kilden, der skal bruges i det fremtidige ur," tilføjer hun.